CN107535039A - 发光二极管(led)暗光暖色电路 - Google Patents

Abstract

一种使用发光二极管模拟白炽照明的调光性能的方法和电路，并且尤其是制作一种只使用白光和深红光的发光二极管电路，以便获得作为调光等级函数的协调色温，该协调色温接近于被类似地调光的白炽灯的协调色温。

Description

发光二极管(LED)暗光暖色电路

交叉参考相关申请

本申请要求2015年3月31日申请的标题为“LIGHT EMITTING DIODE(LED)WARM ONDIM CIRCUIT”的美国临时专利申请No.62/140,997的优先权及利益，该美国临时专利申请被通过全文引用合并入本文。

技术领域

本公开涉及提供一种使用发光二极管(LED)模拟白炽照明的调光性能的方法和电路，并且尤其涉及制作一种只使用白光和深红光发光二极管的电路，以便获得作为调光等级函数的协调色温(coordinated-color-temperature(CCT))，该协调色温接近于被类似地被调光的白炽灯的协调色温。

背景技术

经常需要对灯调光。在许多居住的和商业的地点发现调光器。历史上，调光是通过在每个线路周期的某一部分，撤除来自灯的功率做到的，如同使用三端双向可控硅开关元件调光器完成的一样。然而，用通常0-10伏的DC信号设定调光等级变得越来越常见。

传统上，调光器已经与白炽灯泡一起使用。这些灯泡在它们变暗时有非常特殊的特征。它们产生的光不但更暗，而且还变得更红，所谓“暗光暖色(warm-on-dim)”。对光颜色变化的一种量度是CCT。通过找出光的最接近的黑体辐射发射温度测量光的CCT，所以是用开尔文(K)度测量的。典型的白炽灯泡，随着它被调光，从约2800K到约1800-2000K变化。CCT与通过线路周期上施加的平均电压测量的调光等级之间的关系是高度非线性的。

越来越常见的照明形式是LED。这些LED靠施加通过它们的DC电流工作。它们发射的光的量大致与电流大小成比例。因此常见的是，通过控制作为调光等级的函数的LED电流对LED调光，该电流或者由平均或RMS电压，或者由该DC 0-10伏信号确定。

但是，当对LED灯调光时，问题出现了。LED特别常见的形式是所谓‘白光’LED。这些‘白光’LED能够被设计成沿着黑体辐射曲线任何点都有一CCT，从6000K向下到2500K以下。但是，对一种给定的LED，它们的CCT基本上不能调整。当通过它们的电流被减小时，它们产生较少的光，但CCT不受影响。因此，白光LED不产生与在调光器上的白炽灯泡产生的相同类型的光输出。

在LED灯中，解决上述问题的典型方法是使用各种不同颜色的LED，诸如红光、绿光和蓝光(RGB)的组合，并把它们的光发射光学混合在一起。在每一LED中，电流量可以被设计成产生特定CCT例如全亮度的白炽灯泡的CCT的白光。当与调光器一道使用时，可以按照产生需要的任意CCT的方式，尤其是接近被类似地被调光的白炽灯的CCT方式，改变不同颜色中电流的比率。

但是，适当地产生和控制三种颜色的LED的电流通常涉及相当大的电路，且常常在建于灯内部的微控制器的软件控制下完成。这种复杂性的程度使这样的控制昂贵并庞大。再有，为获得该性能所使用的红光LED类型，即使在恒定电流驱动电平下，在作为它的温度的函数的光输出中也有非常显著的变化。为补偿这一点，该微控制器通常还要感测灯的温度，对由红光LED接收的作为温度的函数的电流量施加修正。

再进一步，使用的红光LED在光输出上还有随老化非常显著的减少。工作几年之后，它们的光输出变得显著降低，且该降低的量不同于为产生白光而与红光LED一道使用的绿光或蓝光LED降低的量。为补偿这一点，有时把光传感器安装在该灯内，以便检测该光的光谱特征，并调整红光LED的电流，以便补偿该老化。该光传感器还能够被用于调整红光LED的电流，以便获得需要的作为调光等级的函数的CCT。光传感器进一步增加成本和灯设计的尺寸，而温度测量和红光LED驱动电流的修正，进一步增加微控制器使用的固件的复杂性。

需要的是，有一种按这样的方式被调光的LED系统，当该LED系统工作在三端双向可控硅开关上或在0-10伏调光器上时，在亮度和CCT两方面，可以模拟白炽灯泡的光输出而被调光。需要的是，该LED系统会对温度变化和老化不敏感，且该LED系统会易于控制，无需使用微控制器或光谱传感器。还需要的是，该LED系统会不昂贵且不要求使用三个或更多不同类型的LED。

发明内容

在一个或多个实施例中，一种电路，使用许多近似3000K CCT的白光LED，加上数量较少的具有近似650nm的或更一般地说波长范围从630nm直到可见光极限的深红光LED。当与调光器按照模拟该调光器上使用的白炽灯亮度和CCT二者的方式使用时，该电路为控制输送至该两种类型LED的电流创造条件。该电路还为对温度变化和老化不敏感创造条件，既不要求使用光谱传感器也不要求使用微控制器，而且小又不昂贵。

在一个或多个实施例中，为白光LED提供电流驱动器，电流由调光等级(dimlevel)控制。该电流驱动器，例如可以是可控恒定电流沉。在另一个实施例中，该电流驱动器可以是开关式电源(SMPS)。该控制既可以用平均线路电压，也可以用诸如0-10伏的外部源的DC电压。在实施例中，该平均线路电压由附接于电桥输出的RC滤波器确定。在一些实施例中，向深红光LED提供电流驱动器，电流由调光等级控制。在实施例中，深红光LED的电流驱动器可以是SMPS。所使用的控制可以是与白光LED使用的相同的控制。

在一个或多个实施例中，输送至白光LED的电流与调光等级成比例，由此，例如，当调光器在最大值时，输送至白光LED的电流为最大值，而当调光器在60％时，输送至白光LED的电流也为60％。输送至深红光LED的电流也依赖于调光等级，但另外有饱和值且可以有最小电平。在实施例中，当调光器在最大值时，输送至深红光LED的电流饱和在最大值，而在调光器降至60％的同时，该电流保持饱和在该最大值。当调光器在60％以下时，输送至深红光LED的电流与调光器等级的进一步下降成比例，由此，例如，当调光器是在30％时，输送至深红光LED的电流是65％，而当调光器接近0％时，输送至深红光LED的电流在35％的最小电平上。这里用到的具体数字依赖于特定的光输出以及白光和深红光LED两者所使用的LED的数量。

作为例子，在调光器最大值上，白光和深红光LED两者都在最大电流上接通。在一个实施例中，可以选择白光LED数量对深红光LED数量的比值，使这一组合产生约2700K的CCT的白光。在调光器的60％设定，白光LED是在它们最大电流的60％，同时，深红光LED依然在它们的最大电流。如此产生约2630K的CCT的白光，与在60％调光等级的白炽灯的光紧密匹配。在调光器的5％设定，白光LED是在它们最大电流的5％，同时，深红光LED是在它们最大电流的35％。如此产生约1800K的CCT的淡红光，接近于在5％调光等级的白炽灯的光。作为调光等级函数的特定的CCT，可以通过选择与已选定的特定白光及深红光LED兼容的亮度和驱动等级而被设计。

这样的电路实施例，例如对温度的变化和老化是不敏感的，因为不像琥珀光或红光LED，深红光LED的光输出随温度和老化中的任一种几乎没有变化。因此，既不需要光谱传感器，也不需要微控制器，并且这些实施例从而能够既小又不昂贵。

附图说明

附图被包含用于提供本公开的进一步理解，并且被合并在本说明书中且构成本说明书的一部分。

图1是按照一个实施例的由平均线路电压控制的LED暗光暖色电路的图。

图2是按照另一个实施例的由0-10伏调光信号(dim signal)控制的LED暗光暖色电路的图。

图3是LED暗光暖色电路的CCT对调光等级的图的例子。

图4是在LED暗光暖色电路中的输送至白光和深红光LED的驱动电流的图的例子。

具体实施方式

现在将详细参考各个实施例，实施例的例子示出在附图中。只要可能，在图和描述中使用相同的参考数字指代相同的或类似的部件。

按照设计特征，实施例的详细描述在下面给出。

图1是按照实施例的由平均线路电压控制的LED暗光暖色电路100的图。如图1所示，AC线路110被二极管电桥120整流。如果DC调光信号不存在，则该平均线路电压可以由滤波器130确定。滤波器130由两个连接在二极管电桥120的输出及地之间的两个电阻器131和132，以及电容器133构成，该两个电阻器131和132分压被整流的电压，该电容器133平均被分压的电压。在实施例中，滤波器130的时间常数至少可以是AC线路110周期的数倍。

一组白光LED 150也附接于二极管电桥120的输出。这些白光LED可以是LED 150的串联串或并联组合，或者是白光LED 150的串联串的并联组。该组白光LED 150有它们的由可控电流沉160控制的电流。该可控电流沉160例如包含晶体管161、电流感测电阻器162、控制运算放大器电路163和分路基准164。晶体管161传送来自该组白光LED 150的电流通过电流感测电阻器162入地。该电流感测电阻器162产生与来自该组白光LED 150的电流成比例的电压。该控制运算放大器电路163以来自电流感测电阻器162的电压和来自滤波器130的电压作为输入。该控制运算放大器电路163的输出产生控制分路基准164的电压。在工作中，运算放大器电路163的输出等于固定增益乘以电流感测电阻器162与滤波器130之间的电压差。运算放大器电路163的增益被设置高。这样迫使电流感测电阻器162两端的电压，并且从而使通过白光LED 150的电流，几乎等于来自滤波器130的电压，且从而等于平均线路电压。

一组深红光LED 170也附接于二极管电桥120的输出。这组深红光LED 170可以是单个LED 170，或LED 170的串联串或并联组合，或者是深红光LED 170的串联串的并联组。该组深红光LED 170有它们的由可控SMPS 180控制的电流。该可控SMPS 180，例如可以是巴克衍生型的(buck-derived)，包括控制器181、电感器182、晶体管183、电流感测电阻器184、整流二极管185以及控制运算放大器电路186。控制器181使晶体管183导通。在晶体管183导通时，电感器182中的电流增加。电感器182中的电流来自深红光LED 170，行进通过晶体管183，并且然后通过电流感测电阻器184入地。电流感测电阻器184响应该电流，发生与电感器182和深红光LED 170电流成比例的电压。控制器181把电流感测电阻器184两端所发生的电压与基准电压比较。当电流感测电阻器184两端所发生的电压等于基准电压时，控制器181断开晶体管183。在晶体管183断开时，电感器182中的电流行进通过整流二极管185并减小。然后，或者以恒定的频率，或者用恒定的断开时间，或用其他已知控制方案，重复整个循环。结果是，在第一级近似上，电感器182和深红光LED 170的电流是恒定的。

用于控制器181的基准电压由控制运算放大器电路186产生。该控制运算放大器电路186以来自电流感测电阻器184的电压和来自滤波器130的电压作为输入。该控制运算放大器电路186的输出产生一电压，该电压形成或控制用于该控制器181的基准电压。控制运算放大器电路186的输出有饱和值，并可以有最小电平。在一些情况下，当滤波器130电压是最大值时，运算放大器电路186的输出可以饱和在它的最大电压，且该输出保持饱和在最大值，直到滤波器130电压低至某一特定值，诸如最大值的60％为止。当滤波器130电压低于该特定值，诸如60％以下时，运算放大器电路186的输出可以与滤波器130电压的进一步下降成比例。在一些情况下，当滤波器130电压达到零或接近于零时，运算放大器电路186的输出可以保持在某一最小电平，诸如35％。

在工作中，运算放大器电路186的输出等于固定增益与滤波器130电压加基准电压之和的乘积。该增益可以小于1，在这种情形下，运算放大器电路186可以部分由电阻分压器形成，没有示出。只要滤波器130电压在特定值以上，例如60％以上，滤波器130电压加基准电压之和就足够大，以致使运算放大器电路186的输出在它的最大值。在实施例中，该最大值由运算放大器电路186的电源电压设定。这样导致SMPS 180产生通过该组深红光LED 170的最大电流。当滤波器130电压线性下降至低于该特定值时，运算放大器电路186的输出线性下降。这样导致SMPS 180线性地产生通过该组深红光LED 170的较小电流。

作为可控电流沉160和SMPS 180这两种控制系统的结果，该组白光LED 150和深红光LED 170一起产生的光在全亮度时和在被调光时两种情况下模拟白炽灯分别在全亮度或被调光时该白炽灯的亮度和CCT。

图2是按照实施例的由0-10伏调光信号140控制的LED暗光暖色电路200的图。如图2所示，该0-10伏调光信号140现在形成基准电压，用于控制白光LED 150的亮度的运算放大器163并且也用于控制深红光LED 170的亮度的运算放大器186这两者。该0-10伏调光信号140，例如可以被没有被示出的电阻分压器分压，以便形成与电流感测电阻器162和184上的电压可比较大小的信号。

图3是LED暗光暖色电路100的CCT对调光等级(dim level)的图的例子。如图3所示，x轴310表示由二极管电桥120整流的AC线路110的平均线路电压。x轴310用全电压的百分比标记。随着该线路电压被减小，平均值下降，对应于x轴310上更向左的位置。y轴320表示LED暗光暖色电路100的CCT。该y轴320用开尔文(K)度数标记。

在被表示在x轴310远右侧的调光器最大设定，CCT约为2800K。随着调光器的设定被减小，CCT大致线性地下降，直到该设定约为40％，在这一点，CCT大致已经下降到2600K。随着调光器进一步减小，CCT开始更快地下降。在它达到5％的时候，CCT已经下降到约1800K。该CCT对调光等级曲线图300与调光器上白炽灯光的曲线图紧密匹配。

图4是在LED暗光暖色电路100或在LED暗光暖色电路200中，输送至白光LED 150的驱动电流的图400以及输送至深红光LED 170的驱动电流的图410的例子。如图4所示，输送至白光LED 150的驱动电流的图400的x轴420表示由二极管电桥120整流的AC线路110的平均线路电压。x轴420用全电压的百分比标记。y轴430表示LED暗光暖色电路100或LED暗光暖色电路200的白光LED 150的最大电流的百分比。在x轴420远右端被表示的调光器的最大设定，电流大致为最大值的100％。随着调光器设定被减小，该电流也大致线性地减小，在调光器设定为全线路电压的零百分比或接近零百分比时，减小至大致为零。

输送至深红光LED 170的驱动电流的图410的x轴440表示由二极管电桥120整流的AC线路110的平均线路电压。x轴440用全电压的百分比标记。y轴450表示LED暗光暖色电路100或LED暗光暖色电路200的深红光LED 170的最大电流的百分比。在x轴440远右端被表示的调光器的最大设定，电流大致为最大值的100％。随着调光器设定被减小至大约60％，该电流保持在最大值的大约100％。随着调光器设定进一步减小到超过60％，该电流大致线性地减小。当调光器减小至几乎为0％时，该电流减小至大约35％。

显然，本领域熟练技术人员能够对被公开的实施例做出各种修改和改变。鉴于之前的说明，意图是本公开涵盖已公开实施例的修改和改变的。

Claims (11)

1.一种LED调光器电路，包括：

至少一个白光LED；

第一可控电流源,耦连到该至少一个白光LED；

至少一个深红光LED；

第二可控电流源,耦连到该至少一个深红光LED；和

控制系统，被配置成控制所述第一可控电流源，以产生与调光等级成线性关系的电流，并被配置成控制所述第二可控电流源，以产生与有最大等级的调光等级成线性关系的电流。

2.按照权利要求1所述的LED调光器电路，其中所述第一可控电流源是可控线性调节器。

3.按照权利要求1所述的LED调光器电路，其中所述第一可控电流源是可控开关式电源。

4.按照权利要求1所述的LED调光器电路，其中所述第二可控电流源是可控线性调节器。

5.按照权利要求1所述的LED调光器电路，其中所述第二可控电流源是可控开关式电源。

6.按照权利要求1所述的LED调光器电路，其中所述调光等级由测量平均线路电压的电路确定。

7.按照权利要求1所述的LED调光器电路，其中所述调光等级由外部提供的DC信号确定。

8.按照权利要求1所述的LED调光器电路，其中所述第二可控电流源有最小电平。

9.按照权利要求1所述的LED调光器电路，其中所述控制系统被配置成控制所述第一可控电流源及所述第二可控电流源，以产生有类似于白炽照明的调光特征的光。

10.一种对LED灯调光的方法，包括：

控制耦连到至少一个白光LED的第一可控电流源，以产生与调光等级成线性关系的电流；和

控制耦连到至少一个深红光LED的第二可控电流源，以产生与有最大等级的调光等级成线性关系的电流。

11.按照权利要求10所述的对LED灯调光的方法，其中所述第二可控电流源有最小电平。